Nowe techNologie
1. Wstęp
Maszyny elektryczne, zwłaszcza asynchroniczne, są szeroko wykorzystywane w przemyśle. Do grona tego można dopisać maszyny wzbudzane magnesami trwałymi, które zyskują co
raz szersze zastosowanie. Jednym z przykładowych zastosowań tego typu maszyn są elektromechaniczne przetwornice często
tliwości. Przetwornice te są wykorzystywane do zasilania sta
nowisk pomiarowych i testowych przekładników napięciowych lub prądowych. W przetwornicach tych najczęściej maszyną napędzającą jest silnik indukcyjny sprzęgnięty na stałe z ge
neratorem np. wzbudzanym magnesami trwałymi. Generato
ry te – w porównaniu do innych maszyn – charakteryzują się najwyższą sprawnością oraz największą gęstością mocy uzy
skiwanej z jednostki objętości [1]. Maszyny te są powszechnie stosowane do specyficznych warunków pracy [2]. Jednym z ta
kich zastosowań może być trójfazowy generator synchroniczny przeznaczony do pracy jednofazowej, który został przedstawio
ny w niniejszym artykule. W pracy zaprezentowano model obli
czeniowy, wyniki symulacji oraz wyniki badań laboratoryjnych wykonanego generatora.
2. Założenia projektowe
Najistotniejszym założeniem zaprojektowanej i wykonanej elektromechanicznej przetwornicy częstotliwości była możli
wość jednofazowej pracy. W celu opracowania generatora do tego typu pracy wykorzystano możliwość pracy trójfazowego generatora synchronicznego wzbudzanego magnesami trwa
łymi przy obciążeniu jednofazowym. Jednofazowa praca ge
neratora trójfazowego została uzyskana poprzez podłączenie uzwojeń każdej z faz w układ szeregowy (rys. 1 i 2).
W wyniku podłączenia trójfazowego uzwojenia generatora wg schematu na rysunku 1 b) uzyskano generator jednofazowy, w którym występuje następująca zależność pomiędzy napięciem fazowym Uf w układzie trójfazowym a napięciem wypadkowym Uw w układzie podłączenia jednofazowego:
2Uf = UA + 0,5UB + 0,5UC (1)
UA = UB = UC (2)
Powyższym zależnościom odpowiada układ wskazowy napięć po transformacji z układu trójfazowego w układ jednofazowy zaprezentowany na rysunku 2. Poprzez odpowiednie połącze
nie trzech faz generatora (rys. 1 b) układ wskazowy napięć w ta
kiej konfiguracji przyjmuje postać z rysunku 2 b.
Po podłączeniu trójfazowego uzwojenia generatora w układ jednofazowy (rys. 1 b) i uruchomieniu przetwornicy, na zacis
kach generatora wyindukuje się napięcie o wartości zgodnej z wzorem (1). Moc elektryczna pobierana z generatora w jed
nofazowym układzie połączeń uzwojenia stojana jest określona zależnością:
P3f = (UAIA + UBIB + UCIC)cosφ IA = IB = IC =If
P3f = 3 UAIAcosφ P1f = 2 Uf If cosφ = 0,66P3f gdzie:
P1f – moc elektryczna pobierana z generatora w układzie jed
nofazowym;
P3f – moc elektryczna pobierana z generatora w układzie trój
fazowym.
Elektromechaniczna przetwornica częstotliwości składa się z indukcyjnego silnika napędowego oraz trójfazowego genera
tora wzbudzanego magnesami trwałymi, pracującego w reżimie pracy jednofazowej. Zadaniem przetwornicy jest generowanie
Paweł Pistelok
PERMANENT MAGNET GENERATOR WORK AS ELECTROMECHANICAL FREQUENCY CONVERTER Abstract: The article presents the concept of an electromag- netic circuit generator with permanent magnets mounted on the surface rotor core designed for single phase work. Computa- tion field-circuit model was shown. The spectrum of time course of voltages in the idle work was presented. The cross section with graphically presentation of magnetic induction in particular parts of electromagnetic circuits was presented. Distribution of magnetic induction at the rated load point for each phase were shown. The time course of voltages and currents for rated power were displayed. An analysis of laboratory results and measure- ment of load characteristics of the generator was discussed. The work deals with three electromagnetic circuits of generators with permanent magnet where output voltage characteristics versus rated power were expressed.
(3)
reklama
Rys. 1. Układ uzwojeń generatora: a) trójfazowego z naniesionymi napięciami fazowymi i międzyfa- zowymi; b) trójfazowego pracującego w reżimie pracy jednofazowej
Rys. 2. Układ wskazowy napięć: a) trójfazowych, b) po transformacji z układu trójfazowego w układ jednofazowy
napięcia jednofazowego o wartości 230 V i częstotliwości 60 Hz. Silnik indukcyj
ny M zasilany z falownika (dopuszczal
ne jest również zasilanie bezpośrednie z sieci) jest na stałe sprzęgnięty z wałem generatora G poprzez sprzęgło S. Do za
cisków generatora jest podłączone ob
ciążenie w postaci układu pomiarowego wykorzystywanego do badania prze
kładników napięciowych. Poglądowy schemat konstrukcji maszynowej prze
twornicy częstotliwości przedstawiono na rysunku 3.
W celu zaprojektowania generatora do pracy w elektromechanicznej przetwor
nicy częstotliwości opracowano model
polowy maszyny i wykorzystano algo
rytm do projektowania trójfazowych ma
szyn wzbudzanych magnesami trwałymi [1, 2, 3, 4, 6]. Na rysunku 4 zaprezento
wano opracowany model polowy.
Na podstawie opracowanego modelu polowego przeprowadzono obliczenia projektowe. Linie indukcji magnetycz
nej w przekroju poprzecznym rdzenia generatora wraz z prezentacją poziomów nasyceń w poszczególnych częściach ob
wodu magnetycznego pokazano na ry
sunku 5.
Po przeprowadzeniu obliczeń na ry
sunku 6 pokazano obwodowy rozkład indukcji magnetycznej wzdłuż szczeliny
Rys. 3. Schemat poglądowy układu elektromechanicznej przetwornicy częstotliwości
Nowe techNologie
powietrznej generatora pod jedną parą biegunów w stanie biegu jałowego maszyny.
Na podstawie obwodowego rozkładu indukcji w szczelinie generatora przeprowadzono analizę Fouriera tego rozkładu (rys. 6). Wyniki w postaci widma harmonicznych pokazano na rysunku 7.
Wartość pierwszej harmonicznej indukcji w szczelinie oma
wianego generatora wynosi 0,94 T.
Na rysunku 8 zaprezentowano obliczeniową charakterystykę napięcia wyjściowego w funkcji mocy obciążenia generatora.
Zgodnie z założeniami projektowymi znamionowa moc oma
wianego generatora wyniosła 14 kW przy współczynniku mocy obciążenia równym cosφ = 0,8 o charakterze indukcyjnym.
3. Konstrukcja zespołu maszynowego
Ze względu na specjalny rodzaj pracy maszynowej przetwor
nicy częstotliwości w wysokim zakresie prędkości obrotowej (3000 obr/min) konieczne było zaprojektowanie odpowiedniej konstrukcji stanowiska badawczego umożliwiającego specjalne wykonanie mocowania dla sprzęgnięcia i połączenia obu maszyn oraz doboru sposobu posadowienia całego zespołu. Wizualizację gotowego zespołu maszynowego przedstawiono na rys. 9.
Możliwość takiego połączenia osiąg nięto poprzez zaprojek
towanie odpowiedniego elementu łączącego (rys. 10) obydwie maszyny.
Rys. 4. Wycinek modelu polowego omawianego generatora z naniesioną siatką elementów skończonych
Rys. 5. Linie indukcji magnetycznej z graficzną prezentacją poziomów na- syceń w wycinku przekroju poprzecznego generatora na biegu jałowym
Rys. 6. Obwodowy rozkład indukcji magnetycznej w szczelinie generato- ra w stanie biegu jałowego
Rys. 8. Charakterystyka napięcia wyjściowego w funkcji mocy obciąże- nia generatora
reklama
Rys. 10. Element montażowy łączący obydwie maszyny w zespole maszyno- wym
Rys. 11.
Wizualizacja zespo- łu maszynowego składającego się z dwóch maszyn o różnych wznio- sach mechanicz- nych
Rys. 9. Wizualizacja zespołu maszynowego złożonego z silnika indukcyjnego i genera- tora wzbudzanego magnesami trwałymi
Takie rozwiązanie połączenia za
pewnia współosiowość zesprzęglonych wałów oraz umożliwia minimalizację intensywności drgań całego zespołu ma
szynowego. Jednym z najważniejszych warunków długoterminowej i bezawa
ryjnej pracy projektowanego zespołu maszynowego było optymalne ich usta
wienie, zwłaszcza iż maszyny te miały różne wzniosy mechaniczne (rys. 11).
Ustawienie to polegało między innymi na dokładnej regulacji położenia maszyn w celu współosiowego ustawienia wałów oraz rozkładu mas na wirniku, aby siły działające na wirnik nie przekraczały do
puszczalnych granic. W celu zapewnie
nia odpowiedniego połączenia maszyn o różnym wzniosie mechanicznym 132 (generator) i 160 mm (silnik napędowy), łącznik został wykonany z materiału o możliwie niskiej masie własnej, lecz zapewniającym odpowiednią sztywność konstrukcji. Takie rozwiązanie umożli
wia odpowiedni rozkład mas całego ze
społu w stosunku do zastosowanego roz
wiązania posadowienia wykonanego na wibroizolatorach. Istotnym problemem procesu projektowego było opracowanie konstrukcji stanowiska zapewniającego możliwie najmniejsze drgania. W ze
spole maszynowym o takiej konstrukcji istotne jest obliczeniowe oraz pomiaro
we wyznaczenie elementarnych drgań maszyn. Najczęstszą przyczyną drgań niskoczęstotliwościowych maszyn jest niewyrównoważenie ich części wirują
cych. Jest to wspólna cecha wszystkich elementów wirujących, zarówno wałów, jak i elementów maszyn wirnikowych.
Na zaprojektowanym i wykonanym sta
nowisku zostały przeprowadzone bada
nia wyznaczające intensywność drgań zespołu maszynowego.
Schemat rozmieszczenia punktów po
miarowych drgań (1–5) zobrazowano na rysunku 12.
Nowe techNologie
Wartości zmierzonych drgań własnych zespołu zamieszczono w tabeli 1.
Jak wynika z tabeli 1, wartości skuteczne prędkości drgań własnych zespołu nie przekroczyły wartości 0,5 mm/s.
4. Wyniki badań laboratoryjnych
W celu weryfikacji zaprojektowanego generatora przeznaczo
nego do pracy w maszynowej przetwornicy częstotliwości na rysunku 13 pokazano charakterystyki pomiaru napięcia biegu jałowego w trójfazowym układzie połączeń dla gwiazdy oraz dla jednofazowego układu połączeń.
Dla połączenia trójfazowego przeprowadzono pomiar zawar
tości wyższych harmonicznych w napięciu międzyfazowym i fa
zowym w stanie biegu jałowego generatora przy połączeniu w gwiazdę (rys. 1 a). Przebiegi czasowe tych napięć pokazano na rysunku 14.
Wartość współczynnika zawartości wyższych harmonicznych (THD) w napięciu fazowym dla trójfazowego układu połączeń
w gwiazdę wyniósł 3,86%. Na rysunku 15 zaprezentowano prze
bieg napięcia wyjściowego generatora dla połączenia jednofa
zowego (rys. 1 b) uzwojeń generatora.
Wartość współczynnika zawartości wyższych harmonicz
nych (THDu) w przypadku połączenia jednofazowego wy
niosła 3,80%. Na rysunku 16 zaprezentowano charakterystyki napięcia wyjściowego w funkcji mocy obciążenia dla obliczeń i wyników pomiarów.
Jak widać na rysunku 16, charakterystyka zewnętrzna gene
ratora zmierzona podczas badań laboratoryjnych praktycznie pokryła się z obliczeniową charakterystyką zewnętrzną oma
wianej w artykule maszyny.
Na rysunku 17 pokazano zdjęcie wykonanej elektromaszy
nowej przetwornicy częstotliwości.
Rys. 12. Miejsca pomiaru drgań (1–5) zespołu maszynowego w stanie biegu jałowego przy prędkości obrotowej 3000 obr./min.
4 0,50
5 0,49
Rys. 13. Charakterystyki napięcia biegu jałowego generatora dla trójfazo- wego i jednofazowego układu połączeń
Rys. 14. Przebieg napięcia fazowego w trójfazowym układzie połączeń w gwiazdę omawianego generatora
Rys. 15. Przebieg napięcia wyjściowego generatora w jednofazowym układzie połączeń
Rys. 16. Charakterystyki napięcia wyjściowego w funkcji mocy obciąże- nia generatora
reklama
Rys. 17.
Zdjęcie wykonanej elektroma- szynowej przetworni- cy częstotli- wości
5. Podsumowanie i wnioski końcowe
W artykule zaprezentowano generator wzbudzany magne
sami trwałymi, przeznaczony do pracy jednofazowej z wyko
rzystaniem odpowiedniego układu połączeń (rys. 1 b i 2 b) trójfazowego uzwojenia stojana maszyny. Na podstawie opra
cowanego modelu polowego maszyny zaprojektowano gene
rator przeznaczony do pracy w maszynowej przetwornicy czę
stotliwości pracującej przy prędkości obrotowej 3000 obr./min, wartości napięcia 230 V i częstotliwości 200 Hz. W zależności od prędkości obrotowej i układu zasilania (falownik lub sieć) silnika indukcyjnego częstotliwość ta może być regulowana w zależności od wymagań. Zawartość wyższych harmonicznych w generowanym przebiegu napięcia wyjściowego w jednofazo
wym układzie połączeń generatora nie przekroczyła wartości
4% (rys. 15). W zależności od potrzeb można odpowiednio dopasować częstotliwość pracy generatora (przetwornicy), co stanowi dobre rozwiązanie zasilania układów badawczych lub stanowisk służących analizie zjawisk zachodzących w maszy
nach wzbudzanych magnesami trwałymi.
Literatura
[1] Glinka T.: Maszyny elektryczne wzbudzane magnesami trwałymi.
Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2002.
[2] Rossa R., Król E.: Modern electric machines with permanent magnet. „Przegląd Elektrotechniczny” nr 12/2008.
[3] Węglarz J.: Maszyny elektryczne. Wydawnictwo Naukowo
Techniczne, Warszawa 1968.
[4] Rossa R., Pistelok P.: Trójfazowy generator z magnesami trwały- mi w reżimie pracy jednofazowej. Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne nr 2/2012 (95), Wydawnictwo BOBRME KOMEL, Katowice 2012.
[5] Kozesznik J.: Dynamika maszyn, WNT, Warszawa 1963.
[6] May D.N.: Handbook of Noise Assessment. Van Nostrand Rein
hold, New York 1978.
mgr inż. Paweł Pistelok – e-mail: p.pistelok@komel.katowice.pl Instytut Napędów i Maszyn Elektrycznych „KOMEL”
artykuł recenzowany
